Главной задачей данной курсовой работы является исследование тепловизионного канала. Для эксперимента был выбран тепловизор "Скат", применяемый для обнаружения НС и ЧС в условиях городской застройки.

Одной из основных характеристик тепловизора является пространственное разрешение. Это телесный угол, который ограничивает разрешение деталей объекта. Обычно это элементарный телесный угол, которым осуществляется анализ пространства; этот угол определяется совместным действием передаточных функций оптической системы, приёмника, электронной системы, системы визуализации и глаза наблюдателя. Передаточная функция системы определяется остаточным контрастом изображения миры с периодической структурой и контрастом самой миры, равным единице. Эта функция зависит от пространственной частоты миры. Таким образом, понятие пространственного разрешения может оцениваться способностью системы воспринимать раздельно два малых объекта или модуляционной передаточной функцией; при этом применяется преобразование Фурье. Наконец, понятие пространственного разрешения непосредственно связано с инерционностью системы через скорость сканирования.

Температурное разрешение это минимальная различимая разность эффективных температур объекта и его окружения. В зависимости от природы объекта определение температурного разрешения принимает различные формы. Для тепловизора "Скат", применяемого для нашего эксперимента, температурное разрешение имеет значение 0,1°С. Разность температур, эквивалентная шуму, ДТп - это разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, которая дает пиковый сигнал, равный эффективному напряжению шума системы. Минимальная разрешаемая разность температур ДТразр - это минимальная разность эффективных температур между штрихом и промежутком миры Фуко с периодической структурой, позволяющая визуально разрешить штрихи миры. Минимальная обнаруживаемая разность температур ДTобн - это минимальная разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, при которой становится возможным восприятие объекта при визуальном наблюдении. Все эти эффективные температуры оцениваются в условиях, когда объекты уподобляются черным телам: разность эффективных температур может быть обусловлена как разностью истинных температур, так и разницей в коэффициентах излучения или в общем случае обеими причинами.

Параметр ДТ связывает температурное и пространственное разрешение системы. Этот параметр характеризует влияние шума на угловое разрешение с учетом свойств блока визуализации. При определении ДТ используют визуальное разрешение в изображении штрихов миры с периодической структурой (миры Фуко) и по возможности слабым температурным контрастом. Для обеспечения стандартных условий нужно использовать набор мир, содержащих по четыре параллельных штриха, отстоящих друг от друга на одинаковых в каждой мире расстояниях, причем пространственная частота каждой миры вдвое больше, чем предыдущей, а высота штриха в семь раз больше его ширины. Разность температур между штрихами и фоном, рассматриваемыми, как черные тела, также должна быть по возможности минимальной, чтобы система работала с максимальной чувствительностью. Результаты наблюдения изображения связаны и с физиологией зрительного восприятия, и с интерпретацией увиденного в мозгу человека. Интегрирование по времени с постоянной времени глаза в определенной мере способствует сглаживанию получаемой информации, что уменьшает шумы.

Метод проведения измерений состоит в том, что вначале разность температур между штрихом и промежутком миры сводят к нулю, так что наблюдатель видит однородное поле. Усиление системы устанавливают на максимум. Шум в изображении проявляется тогда в виде зернистости и случайных сцинтилляций. Постепенно повышая разность температур, достигают порога восприятия ДT1 соответствующего визуальному разрешению штрихов изображения. Затем увеличивают разность температур до величины, соответствующей получению чёткого изображения и снова уменьшают её до тех пор, пока не исчезнет видимая периодическая структура. Достигнутый порог исчезновения ДT2 обычно меньше, чем ДT1. Действительно, легче отслеживать изображение в процессе постепенного исчезновения его очертаний, так как положение изображения с самого начала четко определено, тогда как перед появлением изображения внимание наблюдателя не фиксируется в определенной точке. По определению ДTразр для данной пространственной частоты вычисляется как среднее арифметическое этих двух величин:

ДTразр = (ДТ1 + ДТ2) /2°С

Опыт показывает, что эта функция очень быстро возрастает с ростом пространственной частоты миры. Измерения могут быть проведены по изображению объективным методом. При правильно выбранной постоянной времени фотометра полученные значения будут мало отличаться от значений, определенных с помощью субъективного метода (наблюдается, однако, некоторая остаточная разность, понятная, если учесть восприятие спектрального распределения шумов глазом, который мало чувствителен к шумам на низких пространственных частотах, а высокие частоты воспринимает только до определенной граничной частоты).

МДВ (метеорологическая дальность видимости) - это то наибольшее расстояние на котором в светлое время суток можно различить (обнаружить) на фоне воздушной дымки абсолютно чёрный объект достаточно больших угловых размеров (>15').

При этом видимым считается такой объект, который различается на фоне неба хотя бы в виде неопределённого контура.

Для расчёта МДВ используется выражение:

Sm=3,9еa ср

Где еa ср - средний коэффициент ослабления по всем направлениям.

Измерение характеристик инфракрасных систем

Кадр tvv (Пожар на Тихорецком бульваре, дальность 8 км, МДВ=10 км)

Рис 1 (б)

Кадр irr (Пожар на Тихорецком бульваре, дальность 8 км, МДВ=10 км)

На рисунке 1 (а) (возгорание складских помещений по адресу Тихорецкий бульвар, дом 2) отчётливо виден дымовой шлейф; тепловизионный же кадр показывает его сравнительно высокую температуру, что само по себе говорит о серьёзности происшествия и необходимости предпринять ряд оперативных действий.

Также удобство тепловизора очевидно при небольших возгораниях или начинающихся пожарах, например как показано на рисунке 2.

На рисунке 2 (а) мы видим лишь небольшой дымовой шлейф, который поднимается из-за кустов. Однако на рисунке 2 (б) (тепловизионыый кадр.) мы явно видим очаг возгорания и даже нагретую дымом листву. Таким образом мы можем определить место возгорания и убедиться в том что это начинающийся пожар. Как видно на рисунке 2 (в) впоследствии данный пожар заметно увеличился. В данном случае тепловизор сыграл также важную роль для обнаружения данной НС.

Рис 2 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Рис 2 (б)

Кадр irr (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Рис 2 (в)

Кадр tvv (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Также тепловизор незаменим ночью, когда шлейф чёрного дыма на тёмном небе практически неразличим. Подобный пример приведён на рисунках 3 и 4. На рисунке 3 зафиксировано возгорание на автобазе, произошедшее 29.05 в 21.50 на расстоянии полутора километров от стационарного поста. В условиях ночи мы достаточно плохо видим дым на tvv-кадрах (cм. рис 3 (а)). Однако в данном случае выручает ИК-канал, (тепловизор) с помощью которого мы можем точно определить очаг возгорания. Похожая ситуация наблюдается и на рисунке 4. Тут дальность до пожара 400 метров и, также как и в первом случае, возгорание более отчётливо отслеживается именно с помощью тепловизионного канала.

Рис 3 (а)

Кадр tvv (Возгорание на автобазе, дальность 1,5 км, ночь).

Рис 3 (б)

Кадр irr (Возгорание на автобазе, дальность 1,5 км, ночь).

Рис 4 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 0,4 км, ночь).

Рис 4 (б)

Кадр irr (НС, дальность 0,4 км, ночь).

Использование тепловизора особенно полезно в условиях низкого МДВ или зимой в условиях снегопада, как показано на рисунке 5.

Рис 5 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 3 км, снег, МДВ=1,5 км).

Рис 5 (б)

Кадр irr (НС, дальность 3 км, снег, МДВ=1,5 км).

На рисунке 5 (б), представляющим собой tvv-кадр, шлейф дыма заметен с очень большим трудом. Это вызвано низким МДВ при снегопаде. Однако, с помощью ИК-канала мы легко определяем очаг возгорания.

Исследование тепловизора с помощью тест-объектов

Кадр tvv (НС, снег, МДВ=1,5 км, t=1°С).

Рис 6 (а)

Кадр irr (НС, снег, МДВ=1 км, t=1°С).

Объект "Фрезер" на tvv-кадрах видно с трудом, однако на тепловизоре легко можно отследить нагретые части здания, например, окна. Более отчётливой картинке тепловизора в данном случае способствует также низкая температура воздуха.

На рисунке 7 показан тот же объект, но при МДВ равном 6 км. и температуре 6°С. В данном случае также отчётливо видны нагретые участки здания. На картинке 7 (б) они обозначены белым цветом.

Рис 7 (а)

Кадр tvv (Фрезер, МДВ=6 км, t°С =6).

Рис 7 (б)

Кадр irr (Фрезер, мдв=6 км, t°С =6).

Далее (рис.8) приведён пример при МДВ 14 км и t=10. В данном случае видно, что из-за более высокой температуры более нагретыми частями здания являются бетонные конструкции, а окна остаются тёмными (имеющими более низкую температуру по сравнению с остальной конструкцией)

Рис 8 (а)

Кадр irr (Фрезер, мдв=10 км, t°С =15).

Рис 8 (б)

Кадр irr (Фрезер, мдв=10 км, t°С =15).

Далее на рисунках 9 и 10 приведены кадры tvv и irr для МДВ 15 и 20:

Рис 9 (а)

Кадр tvv (Фрезер, МДВ=15 км, t°С =14).

Рис 9 (б)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=15 км, t°С =14).

Рис 10 (а)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=20 км, t°С =12).

Рис 10 (б)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=20 км, t°С =12).

Заключение